在5G網絡、物聯網等應用中，對於精確的定時要求越來越高，以便提供更快速、穩定的服務，IEEE 1588（又稱為Precision Timing Protocol, PTP，精確定時協議）便成為最重要的遵循標準。本文將為您介紹IEEE 1588的規範與應用，以及由Silicon Labs（芯科科技）所推出的IEEE 1588解決方案。

新興應用對定時要求越來越高

精確定時越來越廣泛地用於各種應用和商業基礎架構中，例如移動通信、網絡、智能電網、物聯網（IoT）、工業自動化和金融技術（Fintech）等領域。依據應用的需求，必須針對關鍵基礎架構進行規範，才能為此類應用提供準確的時間和頻率，在全球通信網絡和商業基礎設施中，對於精確定時的要求正在日益增長並且越來越普遍。

此外，測量和自動化系統需要進行事件同步和數據關聯，尤其是在測量中涉及多個設備時，時鐘同步更顯得特別重要，這些設備必須可以直接訪問來自公共源的定時信號，或者這些設備必須具有交互和同步其各個時鐘的方式，以便共享公共時基。

在不同設備間實現時間同步

相互靠近、共享公共定時信號的設備可能是實現時間同步的最簡單方法。例如，服務器或是適配卡可以共享來自背板的通用時鐘信號，從而實現高度準確的事件同步。不過，為了準確地使用這樣的公共定時信號，需要進行壹些校準以補償諸如傳播延遲的問題，但是由於這些狀態是靜態且可確定的因素，因此采用這種設計方法相對容易。

在某些方面，基於GNSS的定時（全球導航衛星系統）是壹種類似的方法，用於從公共源（GNSS信號）獲得時鐘時間。不過，當設備之間的距離增加時，或者當設備位於室內（GNSS信號無法穿透的地方），或此類設備處於四處移動的狀態時，必須經常頻繁地更改其位置，將使得這種方法變得不可行。

在這種情況下，需要使用專用網絡或現有網絡來分配時鐘同步，分布式時鐘同步的常見示例是PC的內部時鐘與NTP時間服務器同步，或壹組類似的設備使用PTP Grand Master的IEEE 1588（PTP）協議進行同步。在這兩種協議中，這些設備定期交換信息，並調整其本地定時源以相互匹配。

這兩種時間同步方法都需要連續的時鐘調整過程，如果將兩個時鐘設置為完全對齊，並且它們的頻率源以完全相同的速率運行，則它們將無限期保持同步。然而，實際上時鐘設置的精度有限，並且它們的頻率源以略微不同的速率運行，並且頻率源的速率會隨時間、溫度和某些其他物理因素而變化。大多數現代電子時鐘都使用某種形式的晶體振蕩器作為頻率源，不過所有振蕩器都有其不穩定性，因此必須要求時鐘連續同步，以便在頻率和相位上相互匹配。

IEEE 1588通過配置文件滿足多種應用需求

IEEE 1588規範了用於通過網絡（例如以太網）連接的同步時鐘標準協議。IEEE 1588於2002年發布成為標準，旨在提供異構網絡時鐘之間的容錯同步，這些時鐘幾乎不需要網絡帶寬開銷、處理能力和管理設置。IEEE 1588通過定義稱為精確時間協議或PTP的協議來提供此功能。該標準已經進行了多次重大改進，並且通過為這類型的各種應用添加特殊功能，以將基本的IEEE 1588演變為多個“配置文件”，以用於滿足多種應用的需求。

PTP協議提供了壹種容錯方法，該方法可以同步所有能力各異的參與時鐘，以使用網絡中的最高質量時鐘。IEEE 1588定義了壹組標準的時鐘特性，通過運行壹種稱為最佳主時鐘（Best Master Clock, BMC）的分布式算法，網絡中的每個時鐘都可以識別最高質量的時鐘，並且自調整網絡可以使用最佳時鐘源，以最佳模式運行。如此壹來，IEEE 1588便可創建壹個始終保持最佳同步狀態的簡單時鐘自調整網絡。

IEEE 1588的這種精確的同步功能，可以廣泛應用於移動和電信基礎設施、數據中心、智能電力和電力基礎設施、網絡物理系統／工業物聯網、測試與測量、工廠自動化、機器人控制、金融網絡等領域。

使用高穩定性的定時源以減少漂移

許多因素都會影響使用IEEE 1588可以達到的同步級別的準確性。在同步數據包之間的時間間隔內，系統中的各個時鐘會由於其本地定時源中的頻率變化而彼此漂移，因此可以通過使用更高穩定性的定時源，並通過縮短同步數據包之間的間隔來減少這種漂移。

時鐘源中的溫度控制晶體振蕩器（TCXO）、恒溫晶體振蕩器（OCXO）或原子鐘，其所提供的穩定性高於商業標準晶體振蕩器。除此之外，時鐘的分辨率和PTP同步消息中實現良好的時間戳傳輸都是重要因素。具有更高分辨率時鐘的設備能夠更準確地為消息加上時間戳，而會造成問題的重要原因，是來自網絡流量的變化，這種變化是由可變流量帶來的數據包延遲變化所引起的，而集線器和交換機等中間網絡設備的結合，則降低了可達到的同步水平。

IEEE 1588完整解決方案加速系統集成工作

Silicon Labs日前推出為簡化IEEE 1588實施而設計的全新完整解決方案，通過在壹個單獨、統壹的軟件實用程序中結合PTP配置文件選擇、PTP網絡配置和物理層時鐘／端口配置，搭配Silicon Labs業界領先的多功能軟件工具ClockBuilder ProTM可助力設計人員加速IEEE 1588系統集成的開發工作。

對於IEEE 1588基於數據包時鐘的采用，已經不局限於通信網絡領域，而是進入越來越廣泛的新興應用領域，在這些新興應用中，系統設計人員可能對時鐘和同步的經驗有限，因此工程師們面臨的壹個關鍵設計挑戰，便是優化IEEE 1588系統級性能，這受到板級硬件／軟件設計以及網絡損傷（如流量負載變化引起的數據包延遲變化）的共同影響。

通過整合PTP配置文件選擇、時鐘／端口編程，以及Silicon Labs AccuTimeTM IEEE 1588軟件的簡單控制，Silicon Labs的ClockBuilder Pro軟件為各種網絡條件和拓撲配置操作提供了強大、可靠的解決方案。Silicon Labs IEEE 1588模塊符合電信（G.8265.1、G.8275.1和G.8275.2）、電源（IEEE C37.238-2011和2017）、廣播視頻（SMPTE 2059.2）以及默認配置文件的標準要求，同時滿足ITU-T G.8261、G.8273.2（T-BC、T-TSC）、G.8273.4（T-BC-P和T-TSC-P）、G.8262、G.812、G.813和Telcordia GR-1244-CORE/GR-253-CORE中對於時鐘和同步的嚴格需求。

結語

精確的定時同步，可以通過IEEE 1588協議來實現，Silicon Labs所提供IEEE 1588解決方案，則可協助業界加速實現IEEE 1588，通過ClockBuilder Pro軟件與IEEE 1588 模塊的支持，可以幫助客戶縮短上市時間，同時克服集成度較低的解決方案所帶來的系統設計挑戰，將是相關應用的時鐘同步功能的最佳選擇。